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Qu’est-ce qu’un laser ?

Le Laser :

Le mot, aujourd’hui communément admis de laser, n’est en fait qu’un acronyme issu de l’expression Light Amplification by Stimulated Emission Radiation. La lumière émise par un laser est monochromatique et concentrée dans un faisceau très directif : rien à voir avec nos sources de lumière blanche (lampe à incandescence ou fluocompacte) qui émettent une lumière très peu directive.

Pour constituer une source laser, il est nécessaire d’associer deux éléments :
- un milieu jouant le rôle d’amplificateur optique
- une cavité optique constituée de deux miroirs dont un est partiellement réfléchissant.

Les photons présents dans le milieu sont amplifiés lors du passage dans le milieu amplificateur. La cavité permet d’augmenter le temps de passage des photons dans le milieu amplificateur et de sélectionner des longueurs d’onde d’émission.

Une partie du rayonnement produit est émis du côté du miroir présentant des pertes. Le rayonnement est spatialement et temporellement très cohérent (faisceau directif et monochromatique).

Proposée par C. Townes et A. Schawlow, la première emission laser a été obtenue en 1960 par Théodore Maiman à l’aide d’un cristal de rubis.

+Détail du fonctionnement (Wikipédia) : Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumière (fonctionnant grâce à l’émission stimulée) dont la sortie est branchée sur l’entrée.

L’amplificateur est un ensemble d’atomes ou molécules que l’on fait passer d’un état fondamental ou faiblement excité n à un état plus fortement excité n’ (plus énergétique - on parle de « pompage »), au moyen d’une source d’énergie extérieure (par exemple un générateur électrique, ou un autre laser...). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l’état n, en émettant des photons de fréquence autour de ωnn’. Ainsi un rayonnement de fréquence ωnn’ passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d’émission stimulée. Il peut également être absorbé : il n’y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans l’état n’ (susceptible d’émettre) que dans l’état n (susceptible d’absorber) : il est nécessaire d’avoir une « inversion de population ».

Le rayonnement sortant de cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui constituent une « cavité » (où la lumière est piégée). Bien sûr, un dispositif (comme un miroir partiellement réfléchissant) permet d’extraire de la lumière de ce système, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis réamplifié, etc. On peut ainsi construire un rayonnement extrêmement important, même à partir d’un rayonnement extrêmement faible (comme un seul photon émis spontanément dans la cavité).

On peut comparer ce processus à l’effet Larsen, qui se produit lorsqu’un amplificateur (la chaîne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) « branchée » sur l’entrée (le micro). Alors un bruit très faible capté par le micro est amplifié, émis par le haut-parleur, capté par le micro, réamplifié, et ainsi de suite... Bien sûr l’intensité du son ne croît pas indéfiniment (tout comme l’intensité de la lumière dans un laser) : l’amplificateur a des limites (il existe un volume maximum du son pouvant être produit). La fréquence du son émise par ce procédé est particulière et dépend de l’amplificateur ainsi que de la distance entre le haut-parleur et le micro : il en est de même pour un laser.

Liens :

+Les 50 ans du laser : site documenté sur l’histoire du laser, son fonctionnement avec des films (cours de A. Kastler) et des applets interactives. http://50ansdulaser.com/

+Le laser par Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser

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